——次聲波氫彈可行性分析

作為中國第一部獲得國際級獎項的科幻小說仇让，《地球往事》系列小說（以下簡稱《三體》）以其豐富瑰麗的想象码泞、跌宕起伏的劇情漂问、嚴(yán)密緊湊的邏輯潘鲫、浩渺宏大的世界觀和理想主義現(xiàn)實主義并舉的價值觀吸引了國內(nèi)外無數(shù)的科幻小說迷。

在《三體》二部曲《黑暗森林》中总珠，提到了一種太空核武器：次聲波氫彈屏鳍。小說中七艘逃離末日之戰(zhàn)的星際戰(zhàn)艦就是用這種武器互相殺戮來爭奪寶貴的燃料和配件的。不妨看一看原著中的描寫——

三道即將離散的目光又重新交織在一起局服。

次聲波氫彈钓瞭。

次聲波氫彈

次聲波氫彈 [ 一種太空核武器，用于打擊對常規(guī)輻射有良好屏蔽的飛船目標(biāo)淫奔，能夠以空氣中的次聲波的頻率連續(xù)發(fā)生多次核爆炸山涡，每次都產(chǎn)生強烈的電磁輻射，電磁輻射與目標(biāo)飛船的金屬外殼相互作用唆迁，將電磁能量轉(zhuǎn)化為飛船內(nèi)部空氣的聲能鸭丛，產(chǎn)生超強次聲波，殺死飛船內(nèi)部的一切宏觀生命唐责，但對于飛行的設(shè)施基本沒有損壞鳞溉。]。

每艘艦都裝備了鼠哥。

用隱形導(dǎo)彈發(fā)射熟菲，很難防御 [由于次聲波氫彈通過電磁脈沖產(chǎn)生殺傷看政，并不需要直接命中目標(biāo)，在距目標(biāo)相當(dāng)遠(yuǎn)的距離爆炸就能殺傷目標(biāo)內(nèi)部的人員抄罕。而對雷達(dá)隱形的導(dǎo)彈帽衙，只有接近目標(biāo)時才能被包括可見光觀測在內(nèi)的其他探測手段發(fā)現(xiàn)。]贞绵。

……

突然，警報聲響徹飛船恍飘，如同來自黑暗太空的萬鬼哭號榨崩，顯示界面從半空中像雪片般瘋狂地跳出，顯示著已經(jīng)突破“自然選擇”號防御系統(tǒng)的來襲導(dǎo)彈的大量信息章母，但沒有人來得及看了母蛛。

從警報響起到來襲的次聲波氫彈爆炸，只間隔了四秒鐘乳怎。

從“自然選擇”號最后傳回地球世界的影像看彩郊，章北海可能只用了一秒鐘就明白了一切蚪缀。他本以為自己在兩個多世紀(jì)的艱難歷程中已經(jīng)心硬如鐵秫逝，但沒有發(fā)現(xiàn)心靈最深處隱藏著的那些東西，在做出最后決斷前他曾猶豫過询枚，曾經(jīng)努力抑制住心靈的顫抖违帆，正是心中這最后的柔軟殺了他，也殺了“自然選擇”號上的所有人金蜀，在長達(dá)一個月的黑暗對峙中刷后，他只比對方慢了幾秒鐘。

三顆小太陽亮起渊抄，照亮了這片黑暗的空間尝胆。它們成一個等邊三角形把“自然選擇”號圍在正中，平均距離飛船約四十公里护桦。核聚變火球的持續(xù)時間為二十秒含衔，這期間火球在以次聲波頻率閃爍，但肉眼是看不出來的嘶炭。

從傳回的影像上看抱慌，在剩下的三秒鐘時間里，章北海轉(zhuǎn)向東方延緒方向眨猎，竟笑了一下抑进，說出了幾個字：“沒關(guān)系的，都一樣睡陪∷律”

對這幾個字有猜測的成分匿情，他沒來得及說完，強大的電磁脈沖已經(jīng)從三個方向到達(dá)信殊，“自然選擇”號巨大的艦體像蟬翼般振動起來炬称，振動的能量轉(zhuǎn)化為次聲波，影像中涡拘，迷漫的血霧籠罩了一切玲躯。

攻擊來自“終極規(guī)律”號，它向星艦地球的其他四艘飛船發(fā)射了十二枚裝載著次聲波氫彈彈頭的隱形導(dǎo)彈鳄乏，向二十萬公里外的“自然選擇”號發(fā)射的三枚比其他九枚提前了一段時間跷车，以使其和向附近三艘飛船發(fā)射的導(dǎo)彈同時到達(dá)起爆位置〕饕埃“終極規(guī)律”號上接任自殺艦長的是一位副艦長朽缴，但究竟是誰做出了這個終極抉擇并首先發(fā)動攻擊的卻不得而知，也永遠(yuǎn)不可能知道了水援。

按照原著的設(shè)定密强，次聲波氫彈的作用原理是：

氫彈在距離目標(biāo)一定范圍內(nèi)以次聲波的頻率連續(xù)發(fā)生多次核爆炸→產(chǎn)生大量的電磁脈沖→電磁脈沖與目標(biāo)艦體發(fā)生作用使之振動產(chǎn)生次聲波→次聲波殺死艦上的生命。

在此作文簡單討論次聲波氫彈中蘊含的科學(xué)原理并對其進(jìn)行簡單的可行性分析蜗元。

次聲波氫彈的第一個要素是“以次聲波的頻率連續(xù)發(fā)生多次核爆炸”或渤，這并不難做到。最老土的方案莫過于在一枚核導(dǎo)彈里裝進(jìn)多個分彈頭然后相對獨立地起爆许帐。當(dāng)然理論上而言也可以通過改變核武器中核燃料分布情況和裝藥量然后發(fā)生多次相對獨立的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)——有點類似于氫鈾彈劳坑，這種核武器在傳統(tǒng)的氫彈外層覆蓋一層重元素裂變?nèi)剂希ㄟ^核聚變時溢出的多余中子引爆外層的核燃料發(fā)生二次裂變并正回授內(nèi)部的聚變反應(yīng)增大威力——同時延長核火球閃爍的時間進(jìn)而使其與艦體的相互作用可以達(dá)到產(chǎn)生次聲波的效果成畦。不過就我所知后一種方案可操作性不高因為要想讓鏈?zhǔn)椒磻?yīng)相對獨立地發(fā)生幾次而且還得發(fā)生個二十秒所需要的核燃料層數(shù)會很多而核彈當(dāng)量也會非常大距芬，現(xiàn)在的氫鈾彈通常也不過相當(dāng)于發(fā)生了三次相對獨立的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)——裂變→聚變→裂變——其當(dāng)量已經(jīng)突破三千萬噸但核火球也就閃爍了幾秒而當(dāng)量大帶來的問題就是體積也會很大（五千多萬噸TNT當(dāng)量的沙皇氫彈可足足有8米長27噸重呢）發(fā)射就會是大問題。最可能的解釋或許是……原著中人們已經(jīng)找到了小型化大當(dāng)量多層核武器的方法循帐？不過不管怎樣框仔，這種工藝的出現(xiàn)應(yīng)該是早晚的事情，第一個條件還算容易達(dá)成拄养。

次聲波氫彈的巨大威力主要來源于“每次都產(chǎn)生強烈的電磁輻射离斩，電磁輻射與目標(biāo)飛船的金屬外殼相互作用，將電磁能量轉(zhuǎn)化為飛船內(nèi)部空氣的聲能瘪匿，產(chǎn)生超強次聲波”跛梗。實際上下文也有提到，次聲波氫彈的核心在于電磁脈沖棋弥『顺ィ或者說，實際上是電磁脈沖與飛船的金屬殼體作用產(chǎn)生了次聲波顽染。因此次聲波氫彈的第二個要素就是電磁脈沖漾岳。

電磁脈沖（EMP轰绵，electromagnetic pulses），本質(zhì)上是一種強烈而無規(guī)律的交變電磁場尼荆。事實上左腔，核武器會產(chǎn)生電磁脈沖這一現(xiàn)象在冷戰(zhàn)時期就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這是因為核反應(yīng)進(jìn)行過程中會有大量的高能光子和各種帶電粒子（主要是核反應(yīng)中產(chǎn)生的碎片原子核和β衰變產(chǎn)生的高速電子）飛出[1]捅儒。通過中學(xué)物理的學(xué)習(xí)我們知道液样，電荷本身就會產(chǎn)生電場而運動的電荷則會激發(fā)磁場（參考奧斯特電生磁實驗）[2]。因此我們很容易得出這樣的結(jié)論：大量的帶電粒子在短時間內(nèi)飛出就會在空間中引起電磁場劇烈激蕩也就會產(chǎn)生強烈的交變電磁場巧还。由于時間很短蓄愁，這種電磁場表觀上表現(xiàn)為電磁波的脈沖信號（注意，高能光子本身也是電磁波狞悲，這里請回憶高中物理中的波粒二象性），因此得名電磁脈沖妇斤。

其實現(xiàn)在已經(jīng)就可以制造出幾乎只產(chǎn)生電磁脈沖而不造成太多其他輻射的核武器（這種武器的原理當(dāng)然是保密的摇锋，個人認(rèn)為可能是通過調(diào)整核燃料的種類和布局使氫彈爆炸之后產(chǎn)生的輻射主要是高能光子和短半衰期的輕原子核，通過它們以及由此產(chǎn)生的類似次級宇宙射線的輻射達(dá)到電磁脈沖的效果）站超≥┧。《三體》的設(shè)定中雖然人類的基礎(chǔ)科學(xué)已經(jīng)被智子鎖死，但是技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域卻有了長足的進(jìn)步死相，因此人們在太空艦隊上裝備這種兩百年前（按照小說中太空艦隊建立時的時間坐標(biāo)）武器或許不足為奇融求。

為什么說或許？這就要涉及到次聲波氫彈的第三個要素：電磁脈沖與目標(biāo)艦體發(fā)生作用使之振動產(chǎn)生次聲波殺死艦上的生命算撮。根據(jù)電磁場理論生宛，電磁波本質(zhì)上就是電磁場的波動；電磁脈沖作為電磁場的劇烈震蕩本身當(dāng)然也是電磁波肮柜。而根據(jù)赫茲實驗陷舅，電磁波通過金屬材料的時候會激發(fā)電動勢——微觀層次上的原因可以理解為，金屬中存在大量的自由電子审洞，金屬原子之間彼此共享電子并最終形成一片自由電子的汪洋莱睁；交變電磁場通過金屬時，其中的電子在電磁場的作用下產(chǎn)生了定向運動的趨勢——注意是趨勢而非運動本身——這就產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢芒澜，在宏觀層面上表現(xiàn)為如果把金屬材料接地那么就可以在大地和金屬材料之間檢測到電壓（存在電勢差）——對于赫茲實驗本身而言仰剿，則是缺口的金屬環(huán)中間產(chǎn)生了火花。這種機制在高中物理中常被用作電磁感應(yīng)定律的詮釋痴晦。

但光有電勢差并不夠南吮。如果要讓艦體因為振動起來，必須有感應(yīng)電流而不只是感應(yīng)電動勢——在90年代的時候美軍做過一個實驗阅酪，如果把裝甲車的車體當(dāng)做線圈發(fā)射高頻的交變磁場那么在飛來的炮彈或者導(dǎo)彈的金屬彈體中足以產(chǎn)生很強的感應(yīng)電流旨袒，這種電流在磁場的影響下會引起彈體的強烈振動——類比通電導(dǎo)體在磁場中的運動作用——進(jìn)而使之偏航甚至引爆汁针、擰斷彈體本身，這也是最早可行的電磁防護(hù)罩的方案砚尽；比較尷尬的是這種高頻磁場的自感效應(yīng)也會在用作線圈的金屬車體里產(chǎn)生渦流使之發(fā)熱施无，車?yán)锏娜藭懿皇娣b甲本身的性能也會下降甚至損壞；如果沒有感應(yīng)電流是不會有這種現(xiàn)象的哦必孤。然而如果大家還記得高中那種很惡心的一根金屬棒在兩根金屬導(dǎo)軌之間沿著磁場運動的題目就會知道猾骡，如果沒有持續(xù)的磁場變化這種感應(yīng)電動勢根本不可能產(chǎn)生電流[3]。而對于電磁脈沖而言根本不可能有如上文的例子中說的那樣的持續(xù)變化的磁場也就不可能在艦體中感應(yīng)出電流敷搪。既然沒有電流兴想，也就不可能通過上面所講的機制讓艦體振動起來也就……嗯……不可能產(chǎn)生次聲波了……

除此之外還有一個問題：原著中提到次聲波氫彈“用于打擊對常規(guī)輻射有良好屏蔽的飛船目標(biāo)”。然而在太空中屏蔽輻射遠(yuǎn)比在地面上困難得多赡勘。由于沒有空氣的作用嫂便，太空中的輻射能量遠(yuǎn)比地球表面能量更高衰減得也更慢，還得考慮艦體質(zhì)量的問題（傳統(tǒng)屏蔽輻射的手段主要是通過含有重金屬比如鉛等的合金闸与，但是這些東西密度都很大不適合太空戰(zhàn)艦毙替，畢竟太重的話加速減速都會很慢不利于機動）。最有效的方案應(yīng)該是在飛船的外圍通過磁約束包裹一層厚厚的等離子體践樱〕Щ可惜這種手段也可以有效地阻擋電磁脈沖的影響——光子本身是傳播電磁力的媒介粒子，這就使得如果光子本身與參與電磁力作用的粒子——對就是帶電的粒子——相撞就會使其中的能量傳播到等離子體中的帶電粒子中去拷邢，失去能量進(jìn)而被吸收袱院，這種現(xiàn)象也是等離子體隱身技術(shù)的理論基礎(chǔ)[4]。而我們之前說過瞭稼，電磁脈沖本質(zhì)上也是電磁場的震蕩或者說電磁波忽洛，同理，這種防護(hù)裝置理論上也可以比較有效地阻擋電磁脈沖环肘。

由此可見脐瑰，《三體》中描述的那種次聲波氫彈本身并不具有很高的可行性，用作太空核武器只怕是不太現(xiàn)實的廷臼。不過苍在，這并不意味著這種武器在遙遠(yuǎn)的未來沒有登場的可能性。試想一下荠商，如果是在地面上引爆產(chǎn)生沖擊波與地下的堡壘共振寂恬，在了解堡壘內(nèi)部構(gòu)造的前提之下也完全可能通過調(diào)整核武器當(dāng)量和爆炸的相對位置來在堡壘中產(chǎn)生次聲波震死其中的人哦[奸笑]

不過話說回來，科學(xué)本身從來都不是科幻作品關(guān)注的內(nèi)容莱没，科幻作家們真正探索的初肉，本來就是也應(yīng)該是科學(xué)技術(shù)發(fā)展帶給人類個體乃至社會的影響。因此我們在這里聊次聲波氫彈的可行性也只能是一種消遣罷了饰躲。

[1]：細(xì)分下來核武器產(chǎn)生的電磁脈沖也有三種不同的成因牙咏。其一是躍遷輻射：不論是核裂變還是核聚變都會產(chǎn)生大量處于更高能量激發(fā)態(tài)的原子核臼隔，這些原子核在運動過程中會釋放出能量降低到更低更穩(wěn)定的能態(tài)，這種機制比較類似于放射性元素釋放出伽馬射線的機理妄壶，它產(chǎn)生的電磁脈沖主要來自于光子本身摔握；其二是熱輻射：核爆炸之后飛出以高速運動的大量高能粒子也是早期核輻射的主要成因，眾所周知丁寄，粒子無規(guī)則運動的平均速度就是溫度的本質(zhì)因此這種由高速運動粒子組成的輻射很“熱”故得名熱輻射氨淌，這種輻射產(chǎn)生電磁脈沖的機制來自于帶電粒子本身的電場和高速運動帶來的磁場變化，與躍遷輻射共同構(gòu)成了正文中所說的電磁脈沖主體伊磺；其三是韌致輻射：如果核武器在介質(zhì)（如空氣盛正、水等）中引爆，在高速帶電粒子會與介質(zhì)作用釋放出電磁波同時促使介質(zhì)電離釋放出其他帶電粒子(后一種作用光子也會產(chǎn)生)屑埋，這些電磁波和帶電粒子也會形成電磁脈沖豪筝。具體哪一種成因占據(jù)優(yōu)勢，取決于主要發(fā)生的核反應(yīng)摘能、核武器的當(dāng)量壤蚜、有無介質(zhì)和介質(zhì)種類、周圍電磁環(huán)境（比如有沒有強電場徊哑、強磁場）等因素。由于本文探討的情景在太空聪富，沒有介質(zhì)和強電磁場莺丑，因此這里沒有涉及韌致輻射。此外墩蔓，為了簡便這里也沒有考慮核反應(yīng)本身的影響梢莽。

[2]：在大學(xué)物理中，這一機制可以用麥克斯韋方程組中的電場高斯定理：

和磁場安培環(huán)路定理：

解釋奸披。簡單來說昏名，前者描述閉合空間內(nèi)電場與其中電荷代數(shù)和的關(guān)系，其中S表示電場線通過的面積阵面；后者則是電生磁的一般意義描述轻局，分析電流強度與磁場強度矢量的關(guān)系；兩條公式中的表示電位移矢量样刷，這是一個描述介質(zhì)受到電場作用發(fā)生極化的情況下介質(zhì)中電場作用效果的矢量仑扑，公式中為介質(zhì)的電容常數(shù)而為電場強度矢量，等式中間的微分式和最后的積分式表示電位移通量即單位面積通過的電位移矢量置鼻，镇饮。

[3]：嚴(yán)格來說根據(jù)法拉第定律這里應(yīng)該是磁通量不變，但是這里認(rèn)為飛船艦體作為一個整體包圍的面積是不變的箕母，因此磁通量持續(xù)變化與否僅僅取決于磁場強度持續(xù)變化與否因此這里直接用“沒有持續(xù)變化的磁場”來表述储藐。

[4]：這里必須說明：等離子體只能吸收（更準(zhǔn)確的用詞是“截止”）能量低于自身能量的電磁波俱济，等離子體的能量通常用等離子體的振蕩頻率描述，如果振蕩頻率對應(yīng)的能量低于電磁波的能量那么只能起到削減的作用钙勃，由于電磁波的粒子性依然會有部分光子丟失一部分能量之后到達(dá)艦體表面蛛碌。